Номенклатура, строение и биологическая роль нуклеотидов

Название–нуклеотид имеет несколько названий:

· по названию нуклеозида (название нуклеозида+моно-, ди- или трифосфат – в зависимости от количества остатков фосфорной кислоты),

• краткое обозначение (АМФ или УДФ и т.д.),
• по названию азотистого основания + кислота (например, адениловая или тимидиловая кислота).

Например:

Аденозинмонофосфат, Цитидинмонофосфат,

адениловая кислота, АМФ цитидиловая кислота, ЦМФ

Строение. Последовательность соединения:

азотистое основание – пентоза – фосфат.

Пример:

Аденозинмонофосфат, АМФ

Аденозиндифосфат, АДФ

Аденозинтрифосфат, АТФ

Понятие о циклических нуклеотидах. Их может быть 2 вида: 3',5'- и 2',3'-циклический нуклеотид. Первый, как правило, записывается без цифр – например, цАМФ:

3',5'-ц АМФ (или цАМФ)

Биологическая роль нуклеотидов:

1. Мономер ДНК и РНК.
2. Форма запасания энергии в клетке (например, АТФ, ГТФ).
3. Источник фосфатной группы (например, при фосфорилиро-вании глюкозы).
4. Коферментная функция (НАД, НАДФ, ФАД).
5. Могут служить активаторами ферментов (это, в основном характерно для цАМФ и цГМФ).
6. Для активирования различных субстратов, в результате чего соединения с мононуклеотидом они приобретают макроэрги-ческую связь и могут вступать в химические реакции:

а) для активирования глюкозы – необходим УТФ, получается УДФ-глюкоза;

б) для холина и других азотистых соединений, а также глицеролсодержащих соединений – ЦТФ, получается ЦДФ-холин и др.;

в) для аминокислот – АТФ, получается аминоацил-аденилат.

1. Нуклеотиды могут выполнять регуляторную функцию (например, гуанозинтетрафосфат участвует в матричных синтезах).

Структурная организация нуклеиновых кислот

Первичная структура – определенная последовательность нуклео-тидов в цепи. Образована фосфодиэфирными связями. Начало цепи – 5'-конец (на его конце фосфатный остаток), конец, завершение цепи, обозначается как 3'(ОН)-конец.

Как правило, в образовании самой цепи азотистые основания не участвуют, но водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями играют важную роль в формировании вторичной структуры НК:

· между аденином и урацилом в РНК или аденином и тимином в ДНК образуются 2 водородные связи,

· между гуанином и цитозином – 3.

Для НК характерна линейная, а не разветвленная структура. Кроме первичной и вторичной структуры для большинства НК характерна третичная структура – например, ДНК, тРНК и рРНК.

РНК (рибонуклеиновые кислоты)

РНК содержится в цитоплазме (90%) и ядре. По структуре и функции РНК делятся на 4 вида:

1) тРНК (транспортные),

2) рРНК (рибосомные),

3) мРНК (матричные),

4) яРНК (ядерные).

Матричные РНК

На их долю приходится не более 5% всей РНК клетки. Синтезируется в ядре. Этот процесс называется транскрипцией. Представляет собой копию гена одной из цепей ДНК. Во время биосинтеза белка (этот процесс называется трансляцией) проникает в цитоплазму и связывается с рибосомой, где и происходит биосинтез белка. В мРНК содержится информация о первичной структуре белка (последователь-ности аминокислот в цепочке), т.е. последовательность нуклеотидов в мРНК полностью соответствует последовательности аминокислотных остатков в белке. 3 нуклеотида, кодирующие 1 аминокислоту, называются кодоном.

Свойства генетического кода

Совокупность кодонов составляет генетический код. Всего в коде 64 кодона, 61 – смысловые (им соответствует определенная амино-кислота), 3 – нонсенс-кодоны. Им не соответствует какая-либо аминокислота. Эти кодоны называются терминирующими, так как подают сигнал о завершении синтеза белка.

6 свойств генетического кода:

1) триплетность (каждая аминокислота в белке кодируется последовательностью из 3 нуклеотидов),

2) универсальность (един для всех типов клеток – бактериаль-ных, животных и растительных),

3) однозначность – 1 кодону соответствует только 1 аминокис-лота,

4) вырожденность 1 аминокислота может кодироваться несколькими кодонами; только 2 аминокислоты – метионин и триптофан имеют по 1 кодону, остальные – по 2 и более),

5) непрерывность (генетическая информация считывается по 3 кодона в направлении 5'®3' без перерывов),

6) колинеарность (соответствие последовательности нуклео-тидов в мРНК последовательности аминокислотных остатков в белке).

Первичная структура мРНК

Полинуклеотидная цепь, в которой выделяют 3 главные области:

1) претранслируемая,

2) транслируемая,

3) посттранслируемая.

Претранслируемая область содержит 2 участка:

а) КЭП-участок – выполняет защитную функцию (обеспе-чивает сохранение генетической информации);

б) АГ-область – место прикрепления к рибосоме во время биосинтеза белка.

Транслируемая область содержит генетическую информацию о структуре одного или нескольких белков.

Посттранслируемая область представлена последовательностью нуклеотидов, содержащих аденин (от 50 до 250 нуклеотидов), поэтому называется поли-А-областью. Эта часть мРНК выполняет 2 функции:

а) защитную,

б) служит «проездным билетом» во время биосинтеза белка, так как после однократного использования от мРНК отщепляется несколько нуклеотидов из поли-А-области. Ее длина определяет кратность использования мРНК в биосинтезе белка. Если мРНК используется только 1 раз, то она не имеет поли-А-области., а ее 3'-конец завершается 1 или несколькими шпильками. Эти шпильки называются фрагментами нестабильности.

Матричная РНК, как правило, не имеет вторичной и третичной структуры (по крайней мере, об этом ничего не известно).

Транспортные РНК

Составляют 12-15% от всей РНК в клетке. Количество нуклеотидов в цепи – 75-90.

Первичная структура – полинуклеотидная цепь.

Вторичная структура – для ее обозначения используют модель Р. Холли, которая называется «листом клевера», имеет 4 петли и 4 плеча:

Акцепторный участок – место прикрепления аминокислоты, имеет у всех тРНК одну последовательность ЦЦА

Обозначения:

I – акцепторное плечо, 7 пар нуклеотидов

II – дигидроуридиловое плечо (3-4 пары нуклеотидов) и дигидроуридиловая петля (D-петля),

III – псевдоуридиловое плечо (5 пар нуклеотидов) и псевдоуридиловая петля (Tψ-петля),

IV– антикодоновое плечо (5 пар нуклеотидов),

V – антикодоновая петля,

VI – дополнительная петля.

Функции петель:

• антикодоновая петля – распознает кодон мРНК,
• D-петля – для взаимодействия с ферментом во время биосинтеза белка,
• TY-петля – для временного прикрепления к рибосоме во время биосинтеза белка,
• дополнительная петля – для уравновешивания вторичной структуры тРНК..

Третичная структура – у прокариотов в виде веретена (D-плечо и TY-плечо сворачиваются вокруг и образуют веретено), у эукариотов в виде перевернутой буквы L.

Биологическая роль тРНК:

1) транспортная (доставляет аминокислоту к месту синтеза белка, к рибосоме),

2) адапторная (распознает кодон мРНК), переводит шифр нуклеотидной последовательности в мРНК в последователь-ность аминокислот в белке.

Рибосомные РНК, рибосомы

На их долю приходится до 80% от всей РНК клетки. Образуют «скелет», или остов рибосом. Рибосомы – нуклеопротеиновые комплексы, состоящие из большого количества рРНК и белков. Это «фабрики» по биосинтезу белка в клетке.

Первичная структура рРНК– полинуклеотидная цепь.

По молекулярной массе и количеству нуклеотидов в цепи различают 3 вида рРНК:

• высокомолекулярную (около 3000 нуклеотидов);
• среднемолекулярную (до 500 нуклеотидов);
• низкомолекулярную (менее 100 нуклеотидов).

Для характеристики различных рРНК и рибосом принято использовать не молекулярную массу и количество нуклеотидов, а коэффициент седиментации (это скорость оседания в ультрацентрифуге). Коэффициент седиментации выражается в сведбергах (S),

1 S = 10^-13секунд.

Например, одна из высокомолекулярных будет иметь коэффициент седиментации 23 S, средне- и низкомолекулярные соответственно 16 и 5 S.

Вторичная структура рРНК – частичная спирализация за счет водо-родных связей между комплементарными азотистыми основаниями, образование шпилек и петель.

Третичная структура рРНК – более компактная упаковка и наложе-ние шпилек в виде V- или U-образной формы.

Рибосомы состоят из 2 субъединиц – малой и большой.

У прокариотов малая субъединица будет иметь коэффициент седиментации 30 S, большая – 50 S, а вся рибосома – 70 S; у эукарио-тов соответственно 40, 60 и 80 S.